Kvantová fyzika není nová, ale teprve nedávno jsme byli schopni ovládat kvantové jevy a tak je využívat k vývoji nových technologií. Jednou z oblastí, ve které je kvantová technologie nejvyspělejší a připravená k použití, je kvantové senzory, kde kvantové jevy mohou pomoci učinit senzory ultracitlivými, což jim umožní vidět detaily a měřit mnohem menší množství, než je možné pomocí aktuálně existujících senzorů.
Laboratoř Kirstine Berg-Sørensen. Obrazový kredit: Jesper Scheel
Vadné diamanty jako kvantové senzory
Alexander Huck je jedním z výzkumníků DTU, kteří více než deset let zkoumají využití diamantů jako kvantových senzorů. Jedná se o umělé diamanty se zabudovanou vadou: střed NV. NV centrum se chová jako kvantově mechanický spin, který dokáže registrovat slabá magnetická pole a další fyzikální parametry.
Alexander Huck použil kvantové diamanty k měření biologického materiálu, mimo jiné. V roce 2020 prokázal – společně s multidisciplinárním výzkumným týmem –, že měření elektrické aktivity ve svalech bylo možné pomocí NV diamantového kvantového senzoru.
„Výhoda použití diamantů k měření biologického materiálu spočívá v tom, že k měření signálu nepotřebujeme k materiálu připojovat elektrody. Místo toho můžeme umístit diamant, v tomto případě ve tvaru malé ploché destičky o rozměrech 1-2 mm x 1-2 mm, blízko biologického materiálu, aniž bychom jej „poškodili“, a poté měřit signály pomocí magnetických polí. Nedávno se nám podařilo provést podobná měření mozkové aktivity z tkáně u myší, což je nový významný milník,“ říká Alexander Huck, docent na DTU Physics.
Podle jeho názoru budou kvantové senzory hrát velkou roli v práci na získání více znalostí o mozku a neuronových sítích, což nakonec přispěje jak ke zlepšení diagnózy, tak k léčbě mozkových poruch.
Znalost molekul a fotosyntézy
Alexander Huck nedávno také začal používat NV diamantové senzory na délkách mnohem menších než buňky a tkáně ze svalů a mozku. Chce zkusit použít kvantový senzor k získání větších znalostí o molekulách. Celkově se zaměřuje na elektronické procesy v molekulárním měřítku, jako je fotosyntéza, o které se chce dozvědět více pohledem na jednu nebo několik molekul najednou.
„Pokud dokážeme podrobně porozumět tomu, jak fotosyntéza funguje, může nám – v dlouhodobém horizontu – umožnit kopírovat, jak rostliny sbírají energii ze slunce a přeměňují ji na skladovatelné a přenositelné chemické látky. Většina našich současných znalostí je založena na analýzách velkých skupin molekul, což může zakrýt některé detaily. Chci o nich získat znalosti tím, že se na molekuly podívám jednotlivě,“ říká Alexander Huck.
Rozšířené znalosti o lidských buňkách
Kirstine Berg-Sørensen také používá kvantovou technologii pro biologické senzory, ale s menšími diamanty. Zaměřuje se na získání větších znalostí o našich buňkách.
„V posledních letech výzkumníci buněčné biologie zjistili, že buňky nejsou tak heterogenní, jak jsme si mysleli. Jednotlivé buňky se vyvíjejí odlišně, i když pocházejí ze stejného výchozího bodu. Týká se to například rakovinných buněk, ale také imunitních buněk, což je moje oblast zájmu. Je důležité získat hlubší znalosti o tom, které buňky jsou zodpovědné za vývoj onemocnění, respektive kontrolu onemocnění,“ říká Kirstine Berg-Sørensen, docentka na DTU Health Tech.
Kirstine Berg-Sørensen pracovala s optickými pastmi v laboratoři po většinu své kariéry. V této práci je pro zkoumání biologického materiálu použit vysoce zaostřený laserový paprsek infračerveného světla. Světlo tak nezahřívá materiál a nevytváří tak změny v souvislosti s analýzami.
„Asi před šesti lety jsem se díky práci Alexandra Hucka dozvěděl o nanodiamantech, které umožňují registrovat slabá magnetická pole například v lidské tkáni. To mi vnuklo nápad studovat buňky kombinací našich metod a nyní na tom spolupracujeme,“ říká Kirstine Berg-Sørensen.
Kombinace dvou metod
Buňky nejprve absorbují drobné nanodiamanty, které mají průměr asi 120 nanometrů – 500krát menší než tloušťka lidského vlasu. Vědci používají laserové světlo ke čtení toho, co diamant měří.
Z dlouhodobého hlediska je cílem vyvinout pokročilý měřicí nástroj pro biologický materiál založený na těchto dvou metodách. Výhodou diamantů i optické pasti je, že jsou biokompatibilní, což znamená, že neinteragují s biologickým materiálem a nic tak v souvislosti s měřením „neruší“. Navíc jejich magnetická citlivost může fungovat při pokojové teplotě, a proto nevyžaduje extrémně nízké teploty pod minus 150 stupňů, na rozdíl od jiných typů kvantových senzorů.
„Už jsme ukázali, že dokážeme přimět buňky, aby absorbovaly nanodiamanty. Nyní potřebujeme vylepšit naši metodu, abychom získali optickou pinzetu, laserový paprsek, který „tlačí“ diamant kolem buňky, abychom mohli změřit několik částí buňky. V současné době na tom pracujeme,“ říká Kirstine Berg-Sørensen.
E-MAT zahrnuje řadu přístrojů, které za kontrolovaných podmínek umožňují vývoj a syntézu nových materiálů. Obrazový kredit: DTU
Vývoj nových kvantových senzorů
Přestože kvantové senzory jsou již schopny provádět přesnější měření než běžné senzory, pracuje se na jejich dalším vylepšení, například ve spolupráci mezi výzkumníky pracujícími na vývoji nových materiálů a kde Alexander Huck přispívá svými odbornými znalostmi v oblasti NV diamantů a kvantových senzorů.
„Naším cílem je systematicky zkoumat, zda dokážeme najít nový senzor, který je malý, biokompatibilní, schopný fungovat při pokojové teplotě a schopný měřit magnetická pole v mozku živých organismů. To nám umožní výrazně rozšířit naše znalosti o procesech v mozku. Plánujeme výrobu nových senzorů pomocí nových na zakázku vyrobených 2D materiálů, které nám umožňují kontrolovat defekty na atomové úrovni,“ vysvětluje Nini Pryds, profesor na DTU Energy, který je materiálovým vědcem a má na starosti práci.
Cílem konkrétního projektu je vyvinout zcela nový kvantový senzor založený na 2D materiálech, který bude citlivější než diamant.
„Abychom vytvořili lepší, levnější a praktičtější malé senzory, prozkoumáme, zda je možné použít úplně jiné typy magneticky citlivých senzorů založených na 2D materiálech. S novým senzorem je naším budoucím cílem umět nabídnout lepší detekci v ranější fázi, než se mozkové choroby stihnou dále rozvinout,“ říká Nini Pryds.
Vývoj nového senzoru bude také těžit z nového výzkumného zařízení infrastruktury na DTU, E-MAT. Jedná se o první svého druhu v severní Evropě pro syntézu nové generace kvantových materiálů a existuje pouze na několika místech po celém světě. E-MAT se skládá z odkládací schránky s kontrolovaným prostředím zahrnujícím shluk klíčových zařízení včetně nejmodernějších depozičních metod umožňujících kontrolu povrchů a rozhraní v atomovém měřítku. Tato infrastruktura umožní nejen teoreticky předvídat nové materiály, ale také je skutečně vyrábět a testovat. Díky tomu jsou vědci přesvědčeni, že se jim v nadcházejících letech podaří vyvinout nový kvantový senzor.
Testování kvantových senzorů
Některé kvantové senzory již došly ve svém vývoji tak daleko, že se jejich použití testuje v reálném životě. To zahrnuje kvantový akcelerometr, který by v budoucnu mohl nahradit systém GPS pro navigaci.
V aktuální testovací verzi je kvantový senzor velká krabice, která po namontování do letadla a poslání na cestu nad Grónskem k navigaci přes zemské gravitační pole zabere hodně místa. Jedním z cílů bude zmenšení kvantového senzoru na velikost čipu, aby jej bylo možné v budoucnu použít kdekoli, v letadlech, lodích, budovách, pod zemí i pod vodou. To zajistí nezávislost na systému GPS, který může být zaseknutý nebo podvržený a který v současné geopolitické situaci představuje hrozbu.
Zdroj: DTU
